Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Pacific Northwest, Hoa Kỳ vừa phát triển một chất điện phân hòa tan yếu, hỗ trợ cho sự hoạt động ổn định của pin natri-ion điện áp cao. Nghiên cứu mới này, được công bố trên tạp chí Nano Energy.
Do natri là kim loại kiềm gần nhất với lithium, có tính chất hóa học tương tự, đồng thời dễ tìm hơn, nên pin natri-ion được xem là công nghệ pin tiềm năng cho việc lưu trữ năng lượng thế hệ mới. Việc phát triển hệ thống pin dựa trên các nguyên tố dồi dào trong tự nhiên ngày càng quan trọng, theo các nhà nghiên cứu.
Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, pin hoàn chỉnh sử dụng chất điện phân này duy trì được 80% dung lượng ban đầu sau 500 chu kỳ, vượt trội hơn cả chất điện phân gốc cacbonat thông thường và chất điện phân nồng độ cao cục bộ, theo kết quả nghiên cứu.
Mức hiệu suất này cao hơn so với các thiết bị tiêu chuẩn thông thường, chỉ duy trì từ 100-300 chu kỳ trước khi đạt đến mức độ suy giảm tương tự. Thử nghiệm điện hóa được tiến hành ở nhiệt độ không đổi 30°C, với việc sử dụng muối natri hexafluorophosphate và natri bis(fluorosulfonyl)imide.
Nhóm nghiên cứu cũng phân tích sau 50 chu kỳ hoạt động, sử dụng kính hiển vi điện tử và quang phổ tia X tán xạ năng lượng để đánh giá tình trạng của các điện cực. Kết quả cho thấy, chất điện phân mới đã cải thiện độ ổn định giao diện điện áp cao và giảm dòng rò khi kết hợp với cực âm oxit sắt natri niken mangan và cực dương cacbon cứng.
Hầu hết chất điện phân thông thường trong pin được thiết kế để hòa tan mạnh các ion kim loại, nhằm hỗ trợ sự di chuyển của chúng trong chất lỏng. Quá trình này tạo ra một lớp vỏ ion-dung môi ổn định, khó bị phá vỡ khi các ion đến bề mặt điện cực.
Khi lớp vỏ không tách ra đúng cách, các phân tử chất điện phân thường bị kéo vào các phản ứng phụ không mong muốn tại giao diện. Các phản ứng phụ này tạo thành các lớp không ổn định và tiêu thụ chất điện phân, dẫn đến sự xuống cấp dần dần của vật liệu pin theo thời gian.
Thiết kế từ Phòng thí nghiệm quốc gia Pacific Northwest sử dụng cấu trúc hòa tan trung gian, ở đó các ion natri liên kết lỏng lẻo hơn với các phân tử dung môi. Các thử nghiệm cho thấy, chất điện phân hòa tan yếu cho phép quá trình khử natri nhanh hơn và điện trở truyền tải điện tích thấp hơn so với các lựa chọn thông thường.
Phương pháp thiết kế này điều chỉnh cấu trúc hòa tan natri để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng có lợi, đồng thời ngăn chặn các phản ứng không mong muốn. Kết quả là giảm thiểu hao hụt vật liệu không thể phục hồi và cải thiện độ ổn định điện hóa trong quá trình chu kỳ sạc-xả hoạt động kéo dài.
